Etude du procédé de fabrication et de fonctionnalisation en vue de la réalisation d'un microdispositif vibrant pour de la détection spécifique en biologie

Study of the manufacturing process and functionalization in order to achieve a vibrating micro device for specific detection in Biology

• Auteur / Autrice : Mériam Azzouz
• Direction : Elisabeth Dufour-Gergam
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 28/09/2012
• Etablissement(s) : Paris 11
• Ecole(s) doctorale(s) : Ecole doctorale Sciences et Technologies de l'Information, des Télécommunications et des Systèmes (Orsay, Essonne ; 2000-2015)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut d'électronique fondamentale (Orsay, Essonne ; 19..-2016)
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Elisabeth Dufour-Gergam, Michaël Tatoulian, Frédéric Kanoufi, Carole Smadja, Myriam Taverna, Mehdi Ammar, Isabelle Mabille
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Michaël Tatoulian, Frédéric Kanoufi

Mots clés

Mots clés contrôlés

Fonctionnalisation des surfaces (chimie)

Immunodosage

Biocapteurs

Mots clés libres

Biocapteurs

Micro-fabrication

Immuno-essai

Micro-résonateur

Anticorps

Antigènes

Greffage

Silanisation

Détection

Bio-marqueurs

Maladie Alzheimer

Biosensors

Micro-fabrication

Immunoassay

Micro-resonator

Antibodies

Antigens

Grafting

Silanization

Detection

Biomarkers

Alzheimer's disease

Résumé

L’étude proposée est une étude préliminaire en vue d’utiliser des microrésonateurs en silicium fonctionnalisé en vue de la détection électromécanique d’espèces biologiques présentes à l’état de trace. Deux aspects ont été principalement étudiés : la capture ultra-sensible mais aussi la capture ultra-spécifique d’espèces biologiques comme des marqueurs pour la maladie d’Alzheimer. Elle a été effectuée dans le cadre d’une collaboration entre le département MINASYS (Micro et Nano-Système) de l’Institut d’Electronique Fondamental (IEF) et le Laboratoire Protéines et Nanotechnologies en Sciences Séparatives de la Faculté de Pharmacie de Châtenay-Malabry.Il s’est ainsi s’agit de développer un micro-résonateur en silicium intégrant des canaux enterrés permettant la circulation d’un fluide biologique à l’intérieur de la poutre et non à l’extérieur comme ils le sont plus couramment, et ce, dans le but de limiter au maximum l’amortissement du résonateur. En ce qui concerne les aspects en biologie, nous nous sommes plus particulièrement interessé à la détection d’un bio-marqueur de la maladie d’Alzheimer, le peptide amyloïde Aβ1-42. Jusqu’à présent, le dépistage de la maladie nécessite une concentration suffisamment importante de bio-marqueurs et le recours à une ponction du liquide céphalorachidien après l’apparition des symptômes de la maladie est donc nécessaire. Le microsystème présenté ici permettra de nous approcher d’un système capable de détecter des traces de biomarqueurs présentes dans le sang ou l’urine par exemple. Ainsi, dans un premier temps, nous avons mis au point un mode de détection précoce du peptide Aβ1-42 couplant un canal micro-fluidique et la microscopie à fluorescence. La surface des canaux en silicium doit être fonctionnalisée afin de permettre le greffage spécifique des antigènes. Pour cela, nous avons mis au point une technique s’appuyant sur la reconnaissance spécifique anticorps-antigène, celle-ci nécessitant une étape préalable de fonctionnalisation chimique de surface.Le manuscrit présenté ici s’articule en quatre parties principales. Dans un premier temps, une étude bibliographique permet de faire l’état de l’art sur le principe de fonctionnement de différents types bio-capteurs couramment utilisés et leurs performances. Une seconde partie décrit la fonctionnalisation de surface du silicium et plus spécifiquement de la réaction de silanisation en phase liquide réalisée sur des surfaces planes et dans des canaux fluidique. Nous abordons ensuite le domaine de la reconnaissance spécifique d’entités biologiques et détaillons les étapes de greffage des protéines réalisées sur les surfaces ainsi que la conception d’immuno-sandwich entreprise dans des canaux fluidiques. Enfin la dernière partie du manuscrit rassemble des différents résultats préliminaires obtenus en vue de l’élaboration du micro-capteur de type poutre résonante à canaux enterrés.

This study is a preliminary study to use a fonctionnalized microsensor based on electromechanical detection of biological species present at trace levels. Two aspects were involved in this work: capture high-sensitivity but also the capture of ultra-specific biological species as markers for Alzheimer's disease. It was conducted as part of collaboration between the department MINASYS (Micro and Nanobio and Microsystems) of the Institute of Fundamental Electronics (IEF) and the Laboratory Proteins and Nanotechnologies in Separative Sciences, at the Faculty of Pharmacy of Chatenay-Malabry.The sensor includes a micro-resonator, placed in vaccum, incorporating silicon buried channels for the circulation of a biological fluid and not outside as they are more commonly, and in order to minimize the damping of the resonator. As regards the biological aspects, we primily focus on the detection of a biomarker of Alzheimer's disease, amyloidal peptide Aβ1-42. Until now, screening requires the use of a puncture and cerebrospinal fluid after onset of symptoms, therefore a sufficiently high concentration of biomarkers is required. Initially, we developed a method of early detection of Aβ1-42 peptide coupling a microfluidic system and fluorescence microscopy. Therefore, the micro-resonator that are present here allow to detect these biomarkers that are present at very low concentrations in other biological fluids in the first stage of the disease, for example, in the blood or urine. Thus, in a first step, we have developed a method of early detection of Aβ1-42 peptide coupling channel microfluidic and fluorescence microscopy. The surface of the channels in silicon must be functionalized to allow the grafting of specific antigens. For this, we developed a technique based on the specific antibody-antigen recognition, the latter requires a preliminary step of chemical functionalization of surfaces.This manuscript consists of four main parts. Initially, we present a literature review of the state of the art on the principle of operation of various types commonly used bio-sensors and the performance obtained. A second chapter describes the functionalization of silicon area and more specifically of the silanization reaction in liquid phase performed on flat surfaces and in fluidic channels. In the following chapter, we discuss the field of specific recognition of biological entities and detail the steps of grafting performed on protein surfaces and design immunoassay sandwich in fluidic channels. The last chapter of the manuscript brings together various preliminary results for the development of micro-sensor type resonant beam.